铁路信号计算机联锁技术介绍

李佳蔚

（中铁十四局集团电气化工程有限公司，济南 250014）

1 概述

随着微电子技术、计算机科学和现代控制理论的发展，特别是可靠性和容错技术的提高，使铁路信号联锁控制系统在经历了以机械、机电、继电等传统技术手段组成的系统后，正向今天的以微电子、计算机和现代控制技术为基础组成的系统发展[1]。计算机联锁首先于1978年在瑞典哥德堡投入运用，后在世界各国推广使用。1991年11月19日，中国铁路干线上第一个计算机联锁系统在广深线红海站开通，从此我国铁路信号进入了计算机联锁时代。

计算机联锁是一种由计算机及其他电子、电磁器件组成的具有故障-安全性能的实时控制系统。计算机联锁系统由相关硬件和软件设备构成。硬件设备包括联锁计算机（完成联锁和显示功能）、安全检验计算机（实现检验联锁计算机的运行情况，发现故障可导向安全）、彩色监视器、微型集中操纵台、安全继电输入输出接口柜、计算机联锁专用电源屏以及现场信号机、转辙机、轨道电路等室外设备。软件设备是实现进路、信号机和道岔相互制约的核心部分，由两部分组成：一是参与联锁运算的车站数据库；二是进行联锁逻辑运算，完成联锁功能的应用程序。车站数据库包括车站赋值表、车站联锁表、按钮进路表、车站显示数据等。应用程序由多个程序模块组成，即系统管理程序、时钟中断管理程序、表示信息采集及信息处理程序、操作命令输入及分析程序、选路及转岔程序、信号开放程序、解锁程序和站场彩色监视器显示程序模块等。

计算机联锁系统的功能包括如下几点。

1）联锁逻辑运算：接收ATS或车站值班员的进路命令，进行联锁逻辑运算，实现对道岔和信号机的控制。

2）轨道电路信息处理：处理列车检测功能的输出信息，以提高列车监测信息的完整性。

3）进路控制：设定、锁闭和解锁进路。

4）道岔控制：解锁、转换和锁闭道岔。

5）信号机控制：确定信号机的显示。

2 计算机联锁系统结构组成

计算机联锁控制技术是实现以进路控制为主要内容的联锁控制系统。联锁控制系统是以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作为室外3大基础设备，以电气设备或电子设备实现联锁功能对轨道区段状态、信号状态和道岔状态进行检测，并对信号机和道岔实施控制的系统。根据系统各部分功能，一般的计算机联锁系统结构，如图1所示。

计算机联锁的操作方法与继电联锁相似，由于它实现了从有接点到无接点的变革，操作人员办理进路时，只需先按进路始端钮，再按进路终端钮即可完成。此时计算机就执行操作输入程序和联锁处理程序。根据输入的按钮代码，从进路矩阵中找出相应的进路，然后检查是否符合选路条件，只有完全满足选路条件后，程序才能转入选路部分。之后，先检查对应道岔是否在规定位置，再将需要变换位置的道岔转换位置，接着锁闭进路，并建立对应的运行表区[2]。

在执行信号开放程序中，是根据运行表区内容，连续不断地检查各项联锁条件，条件满足后信号机才能开放。当列车进入信号机后方，信号机即自动关闭，随着列车的运行，进路可顺序逐段解锁。

3 计算机联锁系统通信方式

计算机联锁系统不仅要具有高度的安全性、可靠性、可用性，还要有快速、强大的数据处理能力，计算机联锁系统内部各模块之间以及计算机联锁和其他系统之间要相互传输大量数据，协同工作，因此，各种通信方式在计算机联锁及相关系统中得到了大量的运用。其中最主要的有以太网通信、串口通信、现场总线通信等。

1）串口通信

串口通信具有使用线路少、成本低的特点而得到了广泛的应用。串口通信常应用在计算机联锁与其他相关系统之间的通信以及联锁机之间的相互通信中。如TYJL-2型计算机联锁的联锁机之间就采用了RS-485串口通信方式。

2）以太网通信

以太网是当今局域网中采用的最通用的通信协议标准。在计算机联锁系统中主要应用在计算机联锁系统内部各模块之间的相互通信。如上位机与联锁机通信、上位机之间通信、上位机与电务维修机之间的通信等。最新研制的计算机联锁系统目前都已使用快速以太网进行通信。例如：北京卡斯卡公司研制的CIS-1型计算机联锁的上位机以及联锁机、电务维修机之间使用100 M的双绞线快速以太网进行通信。北京交大微联公司研制的EI32-JD型计算机联锁的联锁机与驱动采集机间采用双环的光缆进行通信。目前光纤以太网正在开始大规模应用。

3）现场总线通信

由于现场总线传输速度快，响应时间短等优点，Can总线、Profibus总线也开始在铁路计算机联锁系统中应用。例如HOLLiAS VSI2002型计算机联锁系统的联锁主机与I/O系统的通信就采用了Profibus-DP通信协议。现场总线支持远程操作，为区域联锁系统的应用奠定了基础[3]。

4 可靠性技术

为了提高系统可靠性指标，在长期的研究中发展了两类可靠性技术。一类是防止和减少故障发生的技术，叫做避错技术；另一类是当系统的某部分发生故障时，系统仍能保持正常工作的技术，称之为容错技术。计算机联锁控制系统采用避错和容错技术来保证系统的可靠性。其中避错技术分为硬件避错和软件避错，硬件避错主要是选择并使用高可靠性的元部件来组成计算机联锁控制系统，并充分考虑到其中环境因素，从而提高系统整体的可靠性，软件避错最基本原则是减少软件中的缺陷，确保软件不出错。常用的软件避错技术有：开展软件工程、加强软件可靠性管理、优化程序设计，强化程序验证等。对于计算机联锁控制系统的容错技术，是通过系统各部分之间冗余来实现的。主要通过以下3个层次来实现。

1）系统级保障技术

为完成系统的可靠性保证，在计算机联锁控制系统设计时采用冗余可靠性结构配置。目前主要研究和使用有两种：三取二静态冗余结构和双机热备动态冗余结构。

2）设备级保障技术

包括硬件、软件和数据可靠性保障。硬件可靠性保障技术主要包括故障检测和故障屏蔽技术。软件可靠性保障则包括容错设计基本技术、容错算法以及减少程序失控的编程技术等。此外，为了提高软件设计可靠性，还可在程序设计过程中采取程序失控的捕捉技术，将容错设计体现在接口软件的设计过程中，包括I/O接口设计和模拟量接口设计等。数据可靠性保障，实质上实现数据的容错，即对检验码和纠错码的应用。利用编码技术进行检错和纠错，是一种基于信息冗余的容错技术。使用冗余校验位可以有效实现。

3）网络通信保障技术

通过链路的冗余、节点的冗余、通信协议的冗余来提高整个局域网的可靠性。

5 主要联锁系统介绍

我国计算机联锁系统经过多年的发展，目前已经成为铁路信号领域的重要设备，也关系到列车安全稳定运行。目前国内市场上各种类型的计算机联锁系统有很多种，从事计算机联锁领域研究工作的厂家也很多。为此，铁道部自1998年起加强了项目管理，开始对各种产品设备进行严格的技术质量评估，并制定了诸多规章制度来规范计算机联锁系统领域的研究。从系统配置的角度来讲，目前市场上应用最为广泛的有3种，分别是双机热备配置、三取二冗余配置、二乘二取二冗余配置，属于这3种配置的产品也有很多种。

双机热备配置是目前技术比较成熟的硬件冗余配置方式，我国铁路使用的计算机联锁系统较多采用硬件配置方式。本文将重点介绍具有双机热备配置特点的计算机联锁系统，主要包括TYJLII型、DS6-11型、JD-IA型、CIS-1型等。其中TYJL-II型计算机联锁系统是由铁道部科学研究院研制的是第一个在我国铁路投入使用、实现双机热备并通过铁道部科技成果鉴定的国产计算机联锁系统。DS6-11型计算机联锁系统是由北京全路通信信号研究设计院研制开发的双机热备计算机联锁系统，采用具有高可靠性的工业控制计算机，运用网络通信技术构成多机分布式控制系统。DS6-11型计算机联锁系统在国铁和城轨系统有比较广泛的应用。JD-IA型计算机联锁是北京交大微联科技股份有限公司研制的双机热备系统，它采用最新的计算机、总线、网络技术，实现了一套性能可靠、具有“故障-安全”性能、功能完善、操作简单、维护方便的车站计算机联锁系统。CIS-1型计算机联锁系统是从原美国GRS公司（现阿尔斯通集团交通运输部所属美国公司）引进的VPI型计算机联锁系统作为基础，结合中国铁路运输的技术条件和当今世界快速发展计算机网络技术，开发研制的能够满足大、中型铁路站场需要，并能与其他计算机系统平台进行联网的新一代计算机联锁系统，广泛适用于400组联锁道岔以下的铁路车站。

三取二计算机联锁系统采用三重系的容错计算机，具有更高的可靠性、安全性和可用性。包括TYJL-TR9、TYJL-ECC和DS6-20型计算机联锁系统。TYJL-TR9型计算机联锁系统也是铁道部科学院产品。与TYJL-II型系统相比，最大区别在于从输入模块、主处理模块到输出模块全面实现三重系统，以保证系统中任何部分的单永久性故障或瞬间故障发生时，系统仍能无差错、不间断的工作。TYJL-ECC型三取二容错计算机联锁系统同样由铁道部科学院研制，采用了西门子公司铁路信号控制专用的故障-安全计算机和操作系统。该系统全面遵从欧洲电子技术标准化委员会的标准，并通过了SIL4级的安全认证，具有强大的信息处理能力和接口能力，在功能和规模上均可灵活配置，能适应各种规模的站场，易于实现综合信号一体化控制。DS6-20型计算机联锁系统是北京全路通信信号研究设计院研制的具有三重冗余（三取二）结构的高性能计算机联锁系统。该系统的联锁子系统和输入输出部分，采用具有容错和故障-安全性能的GMR系统。

6 总结

计算机联锁是目前最先进的车站联锁设备，具有运作速度快，信息量大，操作方便，安全性高，设备体积小、重量轻，便于调试和维修的特点，提高了自动化程度和作业效率。全电子计算机联锁系统和区域计算机联锁是铁路计算机联锁今后的发展方向，对现场信号设备的控制采用模块化设计，去掉了原有计算机联锁执行部分的继电器电路，代之以智能全电子执行单元，通过现场总线，计算机联锁系统对现场道岔、信号机等设备进行操作，形成分布式控制，可以实现控制、监督、检测一体化。逻辑可编程控制器（PLC）技术也已经开始应用在计算机联锁系统中。

未来计算机联锁系统的应用还将逐步走向智能化，使用先进的智能控制技术，模糊控制，神经网络等先进控制算法的应用，可以实现故障预测，问题分析等智能控制。

[1]黄永忠，赵守民.微机联锁控制系统施工技术[J].铁道

技术监督，2004（11）：21-22.

[2]程少海，王陈保，牛德福.微机联锁技术及其在厂矿的应用[J].西部探矿工程，2005（3）：167-168.

[3]佟阳.微机联锁中几种通讯方式的分析比较[J].工业控制计算机，2009，22（5）：19-21.

[4]付琳.浅析智能模拟盘在车站开通过程中的应用[J].铁路通信信号工程技术，2008，5（2）：60-62.

[5]傅世善.计算机联锁进一步发展的探索[J].铁路通信信号工程技术，2006（2）：03-04.

[6]范旋.铁路信号计算机联锁与电器集中联锁的比较[J].信息技术与信息化，2008（2）：80-81.